1.2.2 Поверхностная энергия твердых тел.

Внутри тела все атомы взаимодействуют друг с другом, компенсируют свои валентные связи и находятся в равновесии. При раскалывании тела в плоскости раскола эти связи оказываются нескомпенсированными. Поверхность становится заряженной, обладающей избыточно-свободной поверхностной энергией, равной энергии разорванных химических связей. Под влиянием этой энергии появляется поверхностное натяжение, приводящее к нормальному и касательному поверхностным напряжениям тела.

За единицу поверхностной энергии твердого тела принимают его поверхностное натяжение, численно равное удельной работе (энергии), затрачиваемой на раскалывание (разрыв) твердого тела в вакууме:

, Дж / м², (1.18)

где А - работа, затрачиваемая на разрыв химических связей твердого тела, Нм (Дж); S- поверхность раскола, м .

В табл. 1.2 показаны поверхностные натяжения (удельная поверхностная энергия) некоторых твердых тел, взятые из различных источников [1,2].

В отличие от жидкостей релаксация напряжений (переход атомов в равновесное состояние) в поверхности твердого тела вследствие малой подвижности атомов длится многие месяцы и годы.

Под воздействием поверхностной анергии происходит целый ряд поверхностных явлений: автоадсорбция, когезия, адгезия, хемадсорбция, физическая адсорбция, капиллярные явления и т.д.

Особый интерес представляет собой автоадсорбция твердых тел. Автоадсорбция выражается в сгущении, уплотнении тела в поверхностном слое в процессе релаксации напряжения под воздействием поверхностного натяжения с целью компенсации свободной энергии путём перераспределения собственных атомов.

Таблица 1.2

Поверхностные натяжения твердых тел

Вещество	Т, К	, Дж/м^2
Лед	270	120
NaCl	298	114
CaCO3	298	230
CaF2	298	450
MgO	298	1000
Al2O3	2123	905
Стекло	298	740
SiO2	298	1240
Ag	1023	1140
Cu	1373	1430
Al	298	1909
Fe	298	3959
W	298	6814
Алмаз	298	11400

"Вблизи точки плавления тонкая металлическая проволока вследствие поверхностного натяжения укорачивается" [2]. За счет уплотнения поверхностный слой твердых тел приобретает большую прочность. Следствием этого является то, что при вдавливании штампа в упругую поверхность (задача Штаермана) максимальное напряжение наблюдается по контуру штампа (где из-за более высокой прочности поверхностного слоя жесткость штампа оказывается выше). Более высокой прочностью можно объяснить и повышенную прочность трубчатых конструкций (по сравнению с цельнометаллическими конструкциями). Тонкая проволока с высокой удельной поверхностью (по сравнению с объемом тела) может быть в десятки раз прочнее, чем стержни значительных размеров (с малой удельной поверхностью). При разрыве стержней поверхностные слои разрываются в последнюю очередь.

Основной вклад в поверхностную энергию твердых тел вносят электростатические, межмолекулярные и полярные силы.

Электростатические силы - это кулоновские силы нескомпенсированных зарядов (разорванных молекул) на поверхности твердого тела. Полярные силы — это силы обусловленные поляризацией молекул поверхности тела благодаря гибридизации орбиталей атомов под воздействием других атомов с высокой электроотрицательностью.

Электроотрицательность характеризует способность атома к поляризации ковалентных связей. Если при образовании молекулы, состоящей из атомов А и В электроны смещаются в сторону атома В, он считается более электроотрицательным. Для количественной оценки Л. Полинг предложил метод, согласно которому электроотрицательность атомов определяется исходя из энергий связи молекул А-В. В соответствии с этим методом Л. Полинг каждому атому присвоил численное значение. Наивысшей электроотрицательностью обладает фтор -4, наименьшей цезий - 0,7.

Кроме шкалы Полинга существует еще около 20 шкал электроотрицательностей, но по расположению элементов в порядке возрастания электроотрицательностей они сходны.

Энергию полярности по Полингу можно определить по формуле:

, (1.19)

где Э_В и Э_А - электроотрицательности атомов, входящих в молекулу.

Тогда, молекулы твердого тела состоят из гетерогенных атомов различной электроотрицательности. В результате разности электроотрицательностей атомов как спаренные орбитали, так и орбитали с неподеленными парами подвергаются гибридизации, т.е. орбитали вытягиваются в сторону атомов с большей электроотрицательностью (см. рис.1.2). Молекула таким образом поляризуется (образуется диполь): со стороны атома с высокой электроотрицательностью молекула приобретает отрицательный, а со стороны атома с малой электроотрицательностью – положительный заряд. Степень поляризации  определяют по величине дипольного момента.

Полярные молекулы поверхности твердого тела могут вызывать поляризацию в контактирующем теле или жидкости. Поляризуемость атома растет с увеличением ионного радиуса и уменьшения заряда. Поляризующее действие ионов также зависит от заряда и ионного радиуса. Оно тем значительнее, чем больше заряд и меньше ионный радиус.

С повышением температуры поляризуемость возрастает.

С учетом поляризуемости молекул, энергию полярной ковалентной связи можно выразить формулой:

,

где - энергия связи между атомами, Е_n – энергия поляризации.